[論文レビュー] Quantum Software Development Lifecycle

Benjamin Weder, Johanna Barzen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2021

Cloud Computing and Resource Management被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ハイブリッド量子アプリケーションにおける量子、古典的、ワークフロー部品の開発を統合する量子ソフトウェア開発ライフサイクル（QS-SDLC）を提案する。主なソフトウェアアーティファクトとその相互接続性を分析することで、著者たちは、エンドツーエンドの量子アプリケーションの設計・実装・オ케ストレーションを支援する一貫性のあるライフサイクルフレームワークを確立した。これは、量子コードや古典的コードに限定された個別のライフサイクルに起因するギャップを解消するものである。

ABSTRACT

With recent advances in the development of more powerful quantum computers, the research area of quantum software engineering is emerging, having the goal to provide concepts, principles, and guidelines to develop high-quality quantum applications. In classical software engineering, lifecycles are used to document the process of designing, implementing, maintaining, analyzing, and adapting software. Such lifecycles provide a common understanding of how to develop and operate an application, which is especially important due to the interdisciplinary nature of quantum computing. Since today`s quantum applications are, in most cases, hybrid, consisting of quantum and classical programs, the lifecycle for quantum applications must involve the development of both kinds of programs. However, the existing lifecycles only target the development of quantum or classical programs in isolation. Additionally, the various programs must be orchestrated, e.g., using workflows. Thus, the development of quantum applications also incorporates the workflow lifecycle. In this chapter, we analyze the software artifacts usually comprising a quantum application and present their corresponding lifecycles. Furthermore, we identify the points of connection between the various lifecycles and integrate them into the overall quantum software development lifecycle. Therefore, the integrated lifecycle serves as a basis for the development and execution of hybrid quantum applications.

研究の動機と目的

• 古典的および量子プログラムを統合したハイブリッド量子アプリケーションのための統一された開発ライフサイクルの欠如を解消すること。
• 現在のライフサイクルが量子開発と古典的開発を分離して扱うため、重要な統合ポイントを欠いていることを見抜くこと。
• 量子および古典的部品のオーケストレーションを管理するため、ワークフローのライフサイクルを統合すること。
• 量子ソフトウェア工学分野における異種分野間の開発を標準化する共通のフレームワークを提供すること。
• ライフサイクルの標準化を通じて、スケーラブルで保守可能かつ高品質な量子アプリケーション開発の基盤を構築すること。

提案手法

• 量子アプリケーションにおけるコアソフトウェアアーティファクト（量子回路、古典的制御コード、オーケストレーションワークフロー）を分析する。
• 確立されたソフトウェア工学の原則に基づき、量子プログラム、古典的プログラム、ワークフローのそれぞれに別個のライフサイクルを定義する。
• 3つのライフサイクル間の統合ポイント、特にインターフェースおよびデータフローにおいて、それらを特定・形式化する。
• 設計・実装・テスト・保守の各フェーズをすべてのコンポONENTにわたって調整する統合型QS-SDLCモデルを提案する。
• ライフサイクル段階をレイヤードアーキテクチャとして表現し、量子開発チームと古典的開発チーム間の協働を強調する。
• 古典的ソフトウェア工学の原則を適用し、量子コンピューティングの独自の制約に適合するライフサイクル実践を適応する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッド量子アプリケーションの開発は、どのようにして量子、古典的、ワークフロー部品の間で体系的かつ統合的に構造化できるか？
• RQ2 量子、古典的、ワークフローのライフサイクル間の主な統合ポイントは何か？
• RQ3 既存のソフトウェア工学ライフサイクルモデルは、量子プログラムの独自の特性をどのように適合させられるか？
• RQ4 ワークフローのオーケストレーションは量子アプリケーションのライフサイクルにおいて果たす役割は何か？そして、どのように統合すべきか？
• RQ5 統一されたライフサイクルモデルは、量子ソフトウェアの品質、保守性、スケーラビリティをどのように向上させられるか？

主な発見

• 提案されたQS-SDLCは、ハイブリッド量子アプリケーション開発のための単一で包括的なフレームワークとして、量子、古典的、ワークフローのライフサイクルを統合している。
• このフレームワークは、量子回路、古典的制御論理、オーケストレーションワークフロー間の依存関係と相互作用を体系的に管理できる。
• ライフサイクルモデルは、設計からデプロイまでをカバーするエンドツーエンドの開発を支援し、テストおよび保守の明確なフェーズを備えている。
• ワークフローのライフサイクルの統合により、量子および古典的部品の適切なオーケストレーションが保証され、ハイブリッドアプリケーション実行において不可欠である。
• このモデルは異種分野間の協働のための共通基盤を提供し、量子ソフトウェア工学における明確さと一貫性を向上させる。
• 本アプローチは、現在の実務における主要なギャップを解消する。個別に分離されたライフサイクルを1つの標準化された開発プロセスに統合することで、量子アプリケーション開発の統一されたライフサイクルを実現している。